Leistungshalbleiter Bauelemente

Transkript

1 Lehrveranstaltung Leistungselektronik Grundlagen und Standard-Anwendungen Leistungshalbleiter Bauelemente Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel Technische Universität München Arcisstraße München

2 Halbleiterschalter in der Leistungselektronik wird der aktive Betrieb von Halbleiterbauelementen bewusst vermieden entweder ist die Spannung am Halbleiter ist 0 oder der Strom im Halbleiter ist 0 leider sind die Halbleiterbauelemente keine idealen Schalter! welche Forderungen muss man stellen? Schalter aus Schaltvorgang Schalter ein kleiner Sperrstrom schaltverlustarm kleiner Spannungsabfall bidirektionale Sperrung kurze Schaltzeiten bidirektionale Leitung hohe Sperrspannung Schaltzeitpunkt frei wählbar hohe Stromtragfähigkeit hohes du/dt keine Schutzbeschaltung hohes di/dt

3 Verluste in realen Leistungshalbleitern

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6 IGBT Turn-Off with Snubber hard switching with snubber Gate voltage Gate voltage Collector voltage Collector current Collector voltage E off = 226µJ E off = 98µJ Collector current 400V, 20A, 125 C, R G = 9.1Ω current pops up but losses are still greatly reduced in the semiconductor the overall losses, however, increase

7 Lehrveranstaltung Leistungselektronik Grundlagen und Standard-Anwendungen Diode ( Thyristor, GTO, IGCT) Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel (ralph.kennel@tum.de) Technische Universität München Arcisstraße München

8 Kennlinie einer Leistungsdiode

9 Ausschaltverhalten einer Leistungsdiode

10 PIN - Diode zur Sicherstellung einer ausreichenden Spannungsfestigkeit wird die Sperrschicht räumlich vergrößert p i n durch Einführung einer intrinsischen Schicht (= Halbleitermaterial ohne Dotierung) zwischen der p-dotierten und n-dotierten Schicht PIN - Diode

11 Thyristor - Aufbau A C A A

12 Kennlinie eines Thyristors

13 Triac

14 / GTO

15 GTO IGCT beides sind abschaltbare Thyristoren allerdings nach unterschiedlichen Philosophien GTO früher am Markt Abschaltvorgang : durch Umleiten eines Teils (ca. 30 %) des Laststroms über das Gate filigrane Struktur auf dem Chip IGCT (zu) spät am Markt Abschaltvorgang : durch Umleiten des gesamten Laststroms über das Gate sehr aufwändige Treiberschaltung

16 Lehrveranstaltung Leistungselektronik Grundlagen und Standard-Anwendungen Transistor Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel Technische Universität München Arcisstraße München

17 der bipolare Leistungstransistor

18 Einschaltverhalten eines bipolaren Leistungstransistors

19 Ausschaltverhalten eines bipolaren Leistungstransistors

20 Darlington-Schaltung Transistor in Sättigung U CE1 < U BE1 U BE1 = 0,7 V U BE2 = 0,7 V U CE1 = 0,3 V U CE2 = 0,7 V + 0,3 V = 1,0 V Transistor kann nicht in Sättigung gehen U CE2 >> U BE2 sehr große Durchlassverluste

21 Lehrveranstaltung Leistungselektronik Grundlagen und Standard-Anwendungen Feldeffekttransistor (FET) Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel Technische Universität München Arcisstraße München

22 Feldeffekt-Transistor (MOSFET) Aufbau Kanal : lang und dünn hoher Innenwiderstand

23 Feldeffekt-Transistor (MOSFET) Aufbau Kanal : immer noch dünn - aber nicht mehr so lang niedrigerer Innenwiderstand

24 Feldeffekt-Transistor (MOSFET) parasitärer pnp-transistor

25 Feldeffekt-Transistor (MOSFET) parasitäre Kapazitäten

26 Lehrveranstaltung Leistungselektronik Grundlagen und Standard-Anwendungen IGBT Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel Technische Universität München Arcisstraße München

27 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Aufbau

28 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Aufbau und Ersatzschaltbild bipolarer pnp-transistor Think of it as a MOSFET with low conduction loss.

29 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) parasitäre Kapazitäten

30 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) parasitärer (Latch-up-)Transistor

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32 On-State Voltage Comparison Same Die Size On-State Voltage vs. Current APT6038BLL: I D = 17A APT30GP60B: I C2 = 49A APT6038BLL (25 C) APT6038BLL (125 C) APT30GP60B (25 or 125 C) Voltage (V) Current (A) MOSFET 125 C MOSFET 25 C IGBT IGBT has lower on-voltage above about 4 Amps. MOSFET conduction loss is sensitive to temperature, the IGBT is not. TECHNOLOGY TO THE NEXT POWER

33 Conduction Loss Comparison Same Die Size Conduction Loss vs. Current (125 C) APT6038BLL APT30GP60B Power (W) MOSFET IGBT Current (A) IGBT has much lower conduction loss above about 4 Amps. IGBT has much better overload capability. TECHNOLOGY TO THE NEXT POWER

34 Switching Loss: 54A MOSFET vs. 72A IGBT Power MOS 7 MOSFET Power MOS 7 IGBT V GS V GS E off = 1062 µj E off = 1058 µj Current Voltage Current Voltage Tail current APT6010B2LL, 400V, 50A, 125 ºC, 5 Ohms APT50GP60B, 400V, 50A, 125 ºC, 5 Ohms At 50A, the IGBT has lower conduction loss and lower switching loss. At less current, the MOSFET would have lower E off (no tail current). The IGBT is about half the size of the MOSFET lower cost. 34 TECHNOLOGY TO THE NEXT POWER

35 Application Comparison Hard Switched Boost Frequency (khz) Frequency vs. Current APT15GP60B APT6029BLL MOSFET IGBT Boost: Hard switched 400V, T J = 125 C, T C = 75 C, 5 APT15GP60: I C2 = 30A APT6029: I D = 21A MOSFET is 2.5 times larger than IGBT. IGBT has good overload capability Current (Amps) MOSFET is best at low current, very high frequency. IGBT is best at high current. IGBT is lower cost. TECHNOLOGY TO THE NEXT POWER

36 Advantage of IGBTs Lower cost much smaller die size for same power. Excellent overload capability linear conduction loss versus current, very insensitive to temperature. Simple gate drive can replace MOSFETs positive only gate drive Highest speed IGBTs turn-on is the same as a MOSFET, turn-off is only slightly longer. Suitable for soft and hard switching zero voltage or reduced voltage turn-off not as good as MOSFETs. TECHNOLOGY TO THE NEXT POWER

37 parallelschaltbare IGBTs zusätzliche Serien-Widerstände Halbleiterdesign mit integrierter Strecke mit positivem Temperaturkoeffizienten

38 Siliziumkarbid (SiC) besseres (schnelleres?) Schalten höhere Temperaturfestigkeit Spannungsabfälle? wird nicht auf ausrangierten Speicherfertigungsstraßen hergestellt Investitionskosten nicht vernachlässigbar

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40 Top 20 power semiconductor players TUM, Germany, 2014 by m.dal 40

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43 Siliziumkarbid (SiC)

44 Reasons for Wide Band Gap Devices Added Value and Related Impact source : Pierric Gueguen, Market & Technology Overview of Power Electronics Industry and Impact of WBG Devices, Yole Développement, SEMICON Europa 2014, Grenoble,

45 New Compound Semiconductors Switches TUM, Germany, 2014 by m.dal 45

46 Quelle : Teresa Bertelshofer; Universität Erlangen

53 Comparison Si SiC (switching) losses source : Power Electronics Europe ; Issue Efficiency Improvement with Silicon Carbide Based Power Modules

56 SiC Device Application Roadmap source : Pierric Gueguen, Market & Technology Overview of Power Electronics Industry and Impact of WBG Devices, Yole Développement, SEMICON Europa 2014, Grenoble,

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58 Silicon Carbide (SiC) better (faster?) switching higher temperature robustness voltage drops? cannot be produced on outsourced production lines for memory chips investment cost not negligible

59 Key Characteristics of GaN vs. SiC vs. Si source : ECPE

60 A Comparison between Si and SiC components TUM, Germany, 2014 by m.dal 60

61 höherer Bandabstand Galliumnitrid (3,4 Elektronenvolt bei GaN gegenüber 1,1 Elektronenvolt bei Si) (für Halbleiterschalter) bessere Kristallstruktur höhere Betriebstemperaturen oder reduzierte Baugröße/Gewicht niedrigere Schaltverluste oder höhere Schaltfrequenzen geringe p-dotierbarkeit ( geringe Löcher-Beweglichkeit ) n-leitende, unipolare Bauelemente, selbstleitende Bauelemente (selbstsperrende Elemente in Entwicklung) höhere Herstellkosten (wie bei SiC)

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64 Siliziumkarbid (SiC) Galliumnitrid SiC SiC-Leistungshalbleiterbauelemente zur Zeit stark im Aufwind (lt. Fa. Infineon) für Märkte über 1200 V (lt. Fa. International Rectifier) Ergebnis des EU-Projektes HOPE : JFETS eignen sich für DC-DC Wandler sehr gut, für Antriebsumrichter jedoch nicht GaN GaN-Bauelemente sind Oberflächenbauelemente, sind daher gut integrierbar, können jedoch nur geringe Ströme tragen in e-mobility Anwendungen noch keine Chancen für GaN aber aussichtreicher Kandidat für < 1200 V (lt. Fa. International Rectifier)

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67 H.-P. Nee

68 H.-P. Nee

69 H.-P. Nee

70 H.-P. Nee

71 ausgetretene Pfade verlassen wir sind gewohnt, alles aus der Sicht von Spannungen zu betrachten daher ist der Kurzschluss für uns eine Katastrophe, die es zu vermeiden gilt! aus diesem Grund gelten selbstleitende Bauelemente als kritisch! Wenn wir unser Denken umstellen (Stromquellen bzw. Stromzwischenkreisumrichter) wird der Kurzschluss zum normalen Betriebszustand und selbstleitende Bauelemente werden hochinteressant!!!

72 ausgetretene Pfade verlassen selbstleitende Bauelemente können in Stromzwischenkreisumrichtern problemlos eingesetzt werden Viele DC/DC-Wandler sind Stromzwischenkreisumrichter! damit werden SiC- und GaN-Elemente sehr interessant für leistungselektronische Schaltungen im Automobil! Wenn wir unser Denken umstellen (Stromquellen bzw. Stromzwischenkreisumrichter) wird der Kurzschluss zum normalen aber nicht Betriebszustand in heutigen Topologien!!! und selbstleitende Bauelemente werden hochinteressant!!!